石膏矿矿柱-护顶层支撑体系破坏机制的突变理论研究

Based on analyzing the characteristics and triggering mechanism of disaster of gypsum mines in China, the stability factors of goaf and the laws of stress and strain of roof-pillar system will be analyzed by using comprehensive methods of theoretical analysis, laboratory test, field monitoring and numerical calculation. The mechanism that how the geological conditions, geometry construction, load, underground water,environment humidity, and time influence the deformation and failure of pillar-roof system will also be studied, then the occurrence mechanism and the control conditions of failure of goaf will be disclosed.Based on the mutation and energy theory,the balance equation containing displacement variable of systematic stability will be gained and the analysis model of sudden destruction of goaf will be established. At last, the mutational prediction model of sudden collpase of pillar-roof system proposed will be applied to actual projects,predicting and preventing the disasters of the goaf. Results otbaned by this project will provide the theoretical support for the prevention of disaster in goaf of gypsum mines, and promote the sustainable development of mining gypsum.The research project has high value of theory and application.

本项目在分析我国石膏矿采空区特点及成灾原因的基础上，依托湖北荆门石膏矿采空区稳定性研究，采用理论分析、室内实验、现场监测与数值计算相结合的方法，分析石膏矿采空区稳定性因素、采空区护顶层-矿柱体系应力应变规律，研究采空区地质条件、几何结构、荷载、地下水条件与环境湿度、时间等对护顶层-矿柱体系变形破坏的影响规律，揭示石膏矿采空区破坏发生机制和控制条件；基于突变理论，从能量理论角度推导含有位移项的体系稳定性平衡方程，建立采空区突发破坏的突变分析模型；将提出的石膏矿护顶层-矿柱体系破坏突变预测模型应用于依托工程，实现依托工程采空区灾害的预测及防治。本项目研究将为石膏矿采空区灾害防治提供理论支撑，对推动石膏采掘业的可持续发展，具有较高理论价值和良好的应用价值。

我国存在大面积的石膏矿采空区，近年来石膏矿塌陷事故频发生，安全形势严峻，深入研究石膏矿矿柱-护顶层体系的破坏发生机制，建立石膏矿采空区失稳预测方法，实现采空区灾害预测和控制，已成为我国石膏矿业可持续发展亟待解决的重大科学问题。本项目在分析我国石膏矿采空区特点及成灾原因的基础上，通过对依托工程石膏岩的矿物成分结构构造分析、单轴压缩试验、三轴压缩试验、巴西劈裂试验、石膏岩短期和长期软化试验、天然三轴压缩蠕变实验、饱水单轴压缩蠕变实验等一系列室内实验研究，全面深入掌握了石膏岩的物理力学特性，建立了石膏岩软化、蠕变本构力学模型，并采用理论分析、室内实验与三维数值模拟相结合的手段，研究了支撑体系在几何结构、地下水条件与环境湿度、石膏岩软化与蠕变等因素作用下的破坏规律，阐明了石膏矿采矿区的破坏机制；在此基础上，建立了考虑岩性、采空区的几何结构及环境湿度作用下的石膏矿采空区板-柱、梁-柱突变破坏模型，得出了支撑系统突变破坏的控制条件与支撑体系稳定性的安全系数评价方法。将本项目的研究成果应用于依托工程，准确可靠地评价了依托工程采空区的安全性，并提出了采空区的灾害防治措施。本项目研究可为石膏矿采空区灾害防治提供理论支撑，对推动石膏采掘业的可持续发展具有较高理论价值和良好的应用价值，还可为石膏矿以外的其它非金属矿山采空区灾害的预测预警及防治研究等提供参考，具有良好的推广前景。